北京时间10月5日下午，2021年诺贝尔物理学奖揭晓，三位科学家凭借他们“对我们理解复杂物理系统的突破性贡献”获奖。真锅淑郎 Syukuro Manabe和克劳斯·哈塞尔曼 Klaus Hasselmann 因为“地球气候的物理建模，量化可变性并可靠地预测全球变暖”的研究共享了诺贝尔物理学奖的一半奖金。乔治·帕里西 Giorgio Parisi 因为“发现了从原子尺度到行星尺度的物理系统中的无序和涨落的相互作用”而获得了诺贝尔物理学奖的另一半奖金。这两个看似无关的研究，实际上都指向了同一个方向—复杂系统。关于什么是复杂系统，科学上没有一个准确的定义。一般来讲，复杂系统一定是非线性的，而非线性系统却未必都是复杂系统。线性系统其实是非线性系统的一个特例。从系统动力学特性上来看，线性系统的运动轨迹是确定的、可预测的，一般都有解析形式，而非线性系统则相反。但是动力学轨迹的不确定性，并不意味着动力学模型的不确定性。恰恰相反，这个世界上存在着一大类复杂系统，它们有着完全确定的动力学模型，但动力学轨迹却显示出高度不确定的“随机性”。简单来说，你无法根据T0时刻的系统状态，准确预测T1时刻的系统状态，这就是听上去颇具魔幻色彩的“混沌系统”。
亨利.庞加莱这次大赛的明星就是法国近代著名数学家、天体力学家、数学物理学家、哲学家亨利.庞加莱（Jules Henri Poincaré）。参赛之前，庞加莱已经名满天下，但他意识到，解决N体问题将使他名垂青史、百世流芳。N体问题是一个极其复杂的动力学问题，即使是牛顿对此也无能为力。庞加莱巧妙地把N体问题转换成三体问题，然后再转换成“限制性三体问题”求解。最终他提交了一篇150多页的论文，并摘得金牌。但不幸的是，1889年就在论文已经排版准备发表的时候，一位编辑发现有一些问题没说清楚，于是写信请庞加莱加以说明。庞加莱仔细研究后发现问题越来越多，已经不是解释不清的问题了，于是撤稿、自费重印。一年以后，一篇270多页的新版论文问世，在这篇论文中，他提出了微小差异将导致运动轨迹完全不可预测的问题，这种现象就是“混沌”。这篇论文也被认为是“混沌理论”的开山之作。
爱德华.洛伦兹然而，给混沌理论赋予魔幻浪漫色彩、并最终使之走进大众视野的，是美国气象学家爱德华·洛伦兹。1963年他在计算机上模拟天气预报结果的时候，惊讶地发现两个极其微小的初始条件差异，竟然造成最终预测结果完全不同！一开始他以为是自己的计算错误，但很快他认识到对大气这样一个有确切数学模型的非线性系统，长期预报是不可能的。1963年他提交了论文对这一现象进行了系统描述。随后在1972年，洛伦兹给大众讲了一个美丽而生动的故事，即提出了著名的“蝴蝶效应” —— 巴西热带雨林里一只蝴蝶扇动翅膀，会造成美国德克萨斯的一场飓风。我个人认为，蝴蝶效应对混沌理论的大众化普及，不亚于薛定谔的猫对量子力学的普及，以及爱因斯坦用“美女和火炉”对狭义相对论的解释。今年诺贝尔物理学奖的两位得主，真锅淑郎 Syukuro Manabe 和克劳斯·哈塞尔曼 Klaus Hasselmann 恰恰都是气象学家。当然他们的研究本身并不是蝴蝶效应，而是量化研究大尺度下全球气候问题，据说可以对全球碳排放进行有效指导。从诺贝尔评奖委员会的官方声明来看，毫无疑问这是一个高度非线性的复杂系统。
